Direcionar a luz de um lugar para outro é a espinha dorsal do nosso moderno mundo da informação. Os cabos de fibra óptica atravessam oceanos profundos e vastos continentes, transportando luz que contém tudo, desde videoclipes do YouTube até transferências bancárias em fibras finas. No entanto, o professor Jiwoong Park, da Universidade de Chicago, queria saber o que aconteceria se a fibra se tornasse mais fina e plana - tão fina que fosse realmente bidimensional em vez de tridimensional. O que acontece com a luz?


Cientistas da Universidade de Chicago descobriram que um cristal de vidro com apenas alguns átomos de espessura pode capturar e transportar luz - e pode ser usado em diversas aplicações. O fio fino no centro do plástico segurado pelo coautor do estudo, Hanyu Hong, é este material. Fonte da imagem: Jean Lachat

Através de uma série de experimentos inovadores, ele e sua equipe descobriram que finas fatias de cristais de vidro com apenas alguns átomos de espessura podem capturar e transportar luz. Além disso, é surpreendentemente eficiente e pode percorrer uma distância relativamente longa – um centímetro, o que é muito longe no mundo da computação baseada em luz.


O professor Jiwoong Park (esquerda) e o cientista Hanyu Hong (direita) no Laboratório de Laser, onde confirmaram que o material pode transportar luz – mesmo sendo menor que a própria luz. Fonte da imagem: Jean Lachat

A pesquisa, publicada recentemente na revista Science, demonstra o que é essencialmente um circuito fotônico bidimensional e pode abrir caminho para novas tecnologias.

"Ficamos completamente surpresos com o quão poderoso é esse cristal ultrafino; ele não apenas pode reter energia, mas também pode entregá-la mil vezes mais longe do que alguém já viu em sistemas semelhantes. A luz aprisionada também se comporta como se estivesse viajando no espaço bidimensional, "disse Jiwoong Park, principal autor do estudo e professor e presidente do Departamento de Química do Instituto James Franck e da Escola Pritzker de Engenharia Molecular.

luz guia

O sistema recém-inventado é um método de guiar a luz, conhecido como guia de ondas, de natureza bidimensional. Em testes, os pesquisadores descobriram que poderiam direcionar a luz ao longo do caminho do chip usando prismas, lentes e interruptores extremamente pequenos – todos elementos de circuitos e computação.

Já existem circuitos fotônicos, mas são muito maiores e tridimensionais. Crucialmente, nos guias de ondas existentes, as partículas de luz – os chamados fótons – sempre se propagam dentro do guia de ondas.

Os cientistas explicam que, neste sistema, o cristal de vidro é, na verdade, mais fino que o próprio fóton, de modo que parte do fóton sobressai do cristal à medida que viaja.


O professor Jiwoong Park (à esquerda) e o cientista Hanyu Hong (à direita) examinam o material no laboratório de Park na Universidade de Chicago. Nos testes, eles podem usar pequenos prismas, lentes e interruptores para direcionar a luz ao longo do caminho do chip – todos elementos de circuitos e computação. Crédito da foto: Jean-Rachat

É um pouco como construir um tubo para transportar malas em um aeroporto, em vez de colocar as malas em uma esteira rolante. Na esteira, as malas ficam ao ar livre e você pode vê-las e ajustá-las facilmente no caminho. Esta abordagem facilita a criação de dispositivos complexos a partir de cristais de vidro, uma vez que a luz pode mover-se facilmente através de lentes ou prismas.

Os fótons também podem obter informações sobre as condições ao longo do caminho. Pense nisso, verificando sua mala vindo de fora para ver se está nevando lá fora. Da mesma forma, os cientistas poderiam imaginar o uso desses guias de ondas para criar sensores de nível microscópico.

“Digamos que você tenha uma amostra de líquido e queira sentir a presença de uma molécula específica”, explica Park. “Você pode projetá-lo de forma que o guia de ondas passe pela amostra, e a presença dessa molécula mudará o comportamento da luz”.

Os cientistas também estão interessados ​​em construir circuitos fotônicos muito finos que possam ser empilhados uns sobre os outros para integrar mais dispositivos minúsculos na mesma área do chip. O cristal de vidro usado nesses experimentos foi o dissulfeto de molibdênio, mas o princípio também se aplica a outros materiais.

Embora os cientistas teóricos tenham previsto que esse comportamento deveria existir, alcançá-lo em laboratório tem sido um processo que leva anos, disseram os cientistas.

"Este foi um problema extremamente desafiador, mas satisfatório, porque entrámos num campo completamente novo. Portanto, tudo o que precisávamos teve de ser concebido por nós próprios - desde o cultivo do material até à medição de como a luz se move," disse Hanyu Hong, estudante de pós-graduação e co-autor do artigo.